1、電力電子電路常用磁芯元件設計.電力電子電路常用磁芯元件設計.電力電子電路常用磁芯元件設計.電力電子電路常用磁芯元件的設計式中L為線圈的自感量(mH);N為線圈匝數;為磁芯常數,是磁路長度l與磁芯截面積Ae的比值(單位:mm-1).飽和磁感覺強度Bs在指定溫度(25或100)下,用足夠大的磁場強度磁化磁性物質,磁化曲線湊近水平線(見附圖1-1)時,不再隨外磁場強度增大而明顯增大對應的B值,稱飽和磁感覺強度Bs.節余磁感覺強度Br鐵磁物質磁化到飽和后,又將磁場強度下降到零時,鐵磁物質中殘留的磁感覺強度即為Br,稱為節余磁感覺強度,簡稱剩磁.矯頑磁力Hc磁芯從飽和狀態去除磁場后,需要必定的反向磁場強

2、度-Hc,使磁感覺強度減小到零,此時的磁場強度Hc稱為矯頑磁力(或保磁力).(6)溫度系數溫度系數為溫度在T1T2內變化時,每變化1對應的磁導率相對變化量,即,T2T1式中為溫度為T1時的磁導率,為溫度為T2時的磁導率.居里溫度Tc居里溫度是指資料能夠在鐵磁體溫順磁體之間改變的溫度.低于居里溫度時該物質成為鐵磁體,此時和資料有關的磁場很難改變.當溫度高于居里溫度時,該物質成為順磁體,磁體的磁場很簡單隨周圍磁場的改變而改變.磁芯耗資(鐵耗)Pc磁芯耗資是指磁芯在工作磁感覺強度時的單位體積耗資.磁芯耗資包括:磁滯耗資,渦流耗資,殘留耗資.磁滯耗資是每次磁化所耗資的能量,正比于磁滯回線的面積,如附圖

3、1-2所示;渦流耗資是交變磁場在磁芯中產生環流引起的歐姆耗資;殘留耗資是由磁化弛豫效應或磁性滯后效應引起的耗資.前兩項是磁芯耗資的主要部分.電感系數AL電感系數是磁芯上每一匝線圈產生的自感量,即式中L為磁芯線圈的自感量(單位:H),N為線圈匝數.,鐵氧體磁芯的基本知識1.資料的磁化燒結后的鐵氧體是由小的晶體組成,這種晶體的大小一般在1020m的范圍內,磁疇就是存在于這些晶體之中.在沒有外磁場作用時,這些磁疇排列的方向是紛雜無章的,如附圖1-3(a)所示,小磁疇間的磁場是相互抵銷的,對外不表現磁性.當一個外加磁場(H)作用于該資料時,磁疇順著磁場方向轉動,加強了鐵氧體內的磁場.隨著外磁場的加強,

4、轉到外磁場方向的磁疇就越來越多,與外磁場同向的磁感覺強度就越強,如附圖1-3(b)所示.這就是說資料被磁化了.在這個磁化過程中,磁疇從頭排列必定戰勝能量勢壘,因此,磁化總是滯后于磁場.所謂的磁滯回線(見附圖1-1),就是這種現象的結果.若是對磁化的抵擋其實不是很強時,一個特定的磁場強度將會產生很大的感覺磁場,鐵氧體的磁導率很高.磁滯回線的形狀對鐵氧體的其他性能有著很強的影響,如磁損.磁芯的形狀鐵氧體磁芯有好多不同樣樣的形狀,如附圖1-4所示.這些形狀各異的磁芯各有其特點,適用于制作各樣磁性元件.磁環磁芯.從磁的角度而言,磁環或許是最正確選擇,由于磁環的磁路是一個關閉的形狀,因此鐵氧體的性能能夠

5、最為充分地發揮出來.特別是關于高磁導率的鐵氧體資料,哪怕是一點點氣隙都會使得磁導率明顯下降.磁環主要應用于脈沖變壓器,磁放大器,攪亂控制線圈(共模電感)等場合.磁環在特定功率辦理能力下是最低價的磁性元件之一,可是磁環的繞制倒是最困難的.罐型磁芯.罐型磁芯最初是為通信濾波電感而設計的,磁芯幾乎包圍了所有的線包和骨架,這種構造很好地障蔽了外面的電磁噪聲(EMI).罐型磁芯的成本要高于其他形狀的磁芯,其他其散熱性能較差,所致使今還沒有適用于大功率場合的產品.(3)E型磁芯.E型磁芯較罐型磁芯低價,易于繞制,安裝方便.E型磁芯的骨架有立式和臥式兩種,立式骨架占用PCB板面積較小但高度很大,臥式骨架正好

6、相反.E型成為最為常用的磁芯形狀.能夠說EE型磁芯和EI型磁芯擁有同樣的外形,同樣的尺寸,同樣的骨架,可是在漏磁場散布存在差別,適用于制作開關式中Cm為耗資系數,為工作頻次,B為工作磁感覺強度幅值,Ve為磁芯面積,分別為大于1的頻次和磁感覺耗資系數.(2)銅損銅損是電流經過線圈所產生的耗資.在低頻場合,銅損計算是直接將電流有效值的平方乘以線圈的直流電阻獲取的.隨著頻次的提高,趨膚效應,周邊效應等因素的影響變得越來越嚴重.五,高頻變壓器的設計高頻變壓器的設計,應當開初設定詳細的電路拓撲,工作頻次,輸入和輸出電壓,輸出功率,變壓器的效率以及環境條件.平常以知足最壞情況設計變壓器,以保證設計的變壓器

7、在規定的條件下都能滿意工作.不同樣樣的電路拓撲致使高頻變壓器磁化工作狀態不同樣樣,如推挽,半橋,全橋等功率變換器的高頻變壓器磁芯雙向磁化,工作在磁滯回線的第一和第三象限,為雙極性工作模式;而正激,反激變換器的高頻變壓器磁芯單向磁化,僅工作在磁滯回線的第一象限,為單極性工作模式.雙極性開關電源變壓器的設計初始條件工作頻次f(Hz)開關變壓器初級輸入最高,最低電壓幅值U1max(V),U1min(V)變壓器初級激勵脈沖最大連續時間tonmax(s)(與最大占空比有關)直流電源輸出電壓Uo(V),電流Io(A)輸出整流電路的形式及整流二極管壓降UD(V)設計步驟步驟1:確定原副邊繞組匝比計算匝比第一

8、需要計算變壓器次級輸出電壓U2,關于直流開關穩壓電源,次級輸出一般接二極管全波整流電路及電感濾波電路,因此,次級輸出電壓在知足正常輸出電壓的同時,還需要補償整流二極管和濾波電感的壓降,有式中Uo為變換器輸出電壓,UD為輸出整流二極管的通態壓降(關于全波整流一般為單個二極管壓降,而橋式整流電路為兩個二極管壓降),UL為輸出濾波電感上的直流壓降.變壓器的匝比應保證最低輸入電壓U1min時,電路能夠保證正常輸出電壓.對應于橋式整流或全波整流,次級同意的最小輸出電壓為因此變壓器原副邊變比為步驟2:確定高頻變壓器磁芯資料依照變壓器的工作頻次和傳輸功率,選擇合適的磁芯資料.高頻功率變壓器磁芯資料平常采用鐵

9、氧體R2KB.大功率鐵氧體資料性能如附表1-1所示,其磁芯耗資與磁感覺強度曲線,磁芯耗資溫度特點曲線分別如附圖1-6和附圖1-7所示.步驟3:磁感覺強度B的選擇確定磁感覺強度B需要考慮兩個問題:當輸入電壓達到最高時磁芯不飽和,變壓器溫升知足要求.在給定溫升條件下,當磁芯耗資與銅線耗資相等時,開關電源變壓器輸出功率最大.設計時初選磁感覺強度可依照功率P(單位W),工作頻次f(單位kHz),平均溫升(單位C),按附圖1-8查出系數KB,今后按下式計算工作磁感覺強度:式中:B為工作磁感覺強度(T),KB為磁感覺強度系數,Bm為磁性資料最大工作磁感覺強度(T).步驟4:確定原邊與副邊的繞組匝數選定磁芯

10、資料,確定磁芯最大的工作磁感覺強度,依照近似的面積乘積(AP)法,大體估計,并預選一個磁芯型號(cm4)式中:AC為磁芯有效截面積(cm2);AW為磁芯窗口截面積(cm2);PT為變壓器傳輸功率(W);B為磁通密度變化量,雙極性變換器為B=2B(T);f為開關工作頻次(HZ);K為近似系數(正激,推挽中心抽頭變壓器取K=0.014;全橋,半橋變壓器取K=0.017).假設變壓器的效率為,則選定磁芯后,初,次級繞組匝數n1,n2也隨之能夠確定式中:U1min單位為V,tonmax單位為s,B單位為T,AC單位為cm2步驟5:確定繞組的導線線徑和股數在采用繞組的導線線徑時,要考慮導線的集膚效應.所

11、謂集膚效應,是指當導線中流過高頻交變電流時,導線橫截面上的電流散布不平均,中間電流密度小,甚至無電流,邊緣部分電流密度大,使導線的有效導電面積減小,電阻增大的現象.一般用穿透深度來描繪導線的集膚效應,所謂穿透深度,是指導線電流密度下降到表面電流密度的0.368(即1/e)時的徑向深度.穿透深度與頻次f和導線物理性能的關系為式中k為導線資料的電導率溫度系數,為導線資料的磁導率,為導線資料的電導率.關于銅質電磁導線,在25C時有:(mm)而在100C時有:(mm)為了更有效地利用導線,減小集膚效應的影響,一般要求導線的直徑小于兩倍的穿透深度,即.若是繞組的線徑大于由穿透深度所決定的最大線徑時,需采

12、用小線徑的導線多股并繞或采用銅皮來繞制,銅皮的厚度要小于2倍穿透深度.在考慮集膚效應采用多股導線并繞時,初級繞組的導線股數Np為式中I1rmsmax為初級最大電流有效值;J為導線的電流密度,關于開關變壓器,一般取J=35A/mm2,SW為每根導線的導電面積(mm2).當考慮集膚效應采用多股導線并繞時,次級繞組的導線股數NS為式中I2rmsmax是副邊最大電流有效值.步驟6:核算磁芯窗口面積在計算出變壓器的初次級匝數,導線線徑及股數后,必定核算磁芯的窗口面積可否能夠繞得下,或許窗口可否過大.窗口充填系數kW定義為線圈銅占有的總面積與磁芯窗口面積之比kW大小與絕緣等級,環境條件和工藝構造等因素有關

13、,考慮到層間絕緣,骨架,障蔽以及爬電距離等因素,一般實質窗口利用率在0.250.5.若是窗口面積太小,說明磁芯太小,要選擇大一型號的磁芯;若是窗口面積過大,說明磁芯太大,可選小一型號的磁芯.從頭選擇磁芯后,應從步驟3開始計算,直到所選磁芯型號規格基本合適.2,單極性開關電源變壓器.正激變換器的高頻變壓器設計初始條件工作頻次f(Hz)開關變壓器初級輸入最高,最低電壓幅值U1max(V),U1min(V)變壓器初級激勵脈沖最大連續時間tonmax(s)(與最大占空比有關)直流電源輸出電壓Uo(V),電流Io(A)輸出整流電路的形式及整流二極管壓降UD(V)設計步驟步驟1:確定原副邊繞組匝比計算匝比

14、第一需要計算變壓器次級輸出電壓U2,關于直流開關穩壓電源,次級輸出一般接二極管整流電路及電感濾波電路,因此,次級輸出電壓在知足正常輸出電壓的同時,還需要補償整流二極管和濾波電感的壓降,有式中Uo為變換器輸出電壓,UD為輸出整流二極管的通態壓降(平常為半波整流),UL為輸出濾波電感上的直流壓降.變壓器的匝比應保證最低輸入電壓U1min時,電路能夠保證正常輸出電壓.次級同意的最小輸出電壓為因此變壓器原副邊變比為步驟2:確定高頻變壓器磁芯資料該步驟與雙極性變壓器設計方法同樣.步驟3:磁感覺強度B的選擇該步驟與雙極性變壓器設計方法同樣.步驟4:確定原邊與副邊的繞組匝數.正激變換器平常在磁路中加氣隙來降

15、低節余磁感覺強度和提高磁芯工作的直流磁場強度,因此計算時一般仍能夠按步驟3的方法確定磁感覺強度增量,即平常,由于正激變換器的磁芯單向磁化,工作在第一象限,工作磁感覺強度變化量B也可參照下式:式中Bs為磁芯的飽和磁通密度,Br為節余磁通密度.如關于材質為R2KB的鐵氧體,Bs=0.51T,Br=0.12T,則B0.39T.參照雙極性變壓器設計步驟4,依照近似的面積乘積(AP)法,大體估計,并預選一個磁芯型號,則初,次級繞組匝數n1,n2也隨之能夠確定:式中:U1min單位為V,tonmax單位為s,B單位為T,AC單位為cm2步驟5:確定繞組的導線線徑和股數該步驟與雙極性變壓器設計方法同樣.步驟

16、6:核算磁芯窗口面積該步驟與雙極性變壓器設計方法同樣.需要說明的是,按以上設計的變壓器可是一種初步的樣品,變壓器的最后參數經常還需要經過實質電路試驗后做必定的修正.六,電感和反激變壓器的設計電感是電力電子電路中的常用元件,在開關電源中平常分為兩類:單線圈電感:如輸出濾波電感(Buck),升壓電感(Boost),反激電感(Buck-Boost)和輸入濾波電感等.多線圈電感:如耦合輸出濾波電感,反激變壓器等.電感平常有兩種工作模式,電流連續模式(CCM)和電流斷續模式(DCM).一般情況下,開關電源中的電感在電流連續模式時線圈和磁芯的溝通耗資比較小,應盡可能選擇大的工作磁感覺強度以減小電感體積;而

17、在電流斷續模式時,磁芯和線圈的溝通耗資是主要考慮因素.電感設計的磁芯選擇同樣能夠采用面積法預估,當磁芯耗資不嚴重,磁芯飽和限制的最大磁通密度為Bm,則面積經驗公式為:(cm4)當磁芯耗資比較嚴重,耗資限制的磁通擺幅為時的面積經驗公式為:(cm4)其中,L為電感量(單位H),ISP為最大峰值電流(單位A),Bm為飽和限制的最大磁感覺強度(單位T),I為初級電流增量(單位A),Bm為最大磁感覺強度增量(單位T),IFL初級滿載電流有效值(A).K1,K2為校正系數,有式中:Jm為最大電流密度(單位A/cm2),k1W為初級銅面積/窗口面積,其系數如附表1-2所示.應用k1WK1K2單線圈電感0.7

18、0.030.021多線圈電感0.650.0270.019Buck/Boost電感0.30.0130.009反激變壓器0.20.00850.0061,電感設計初始條件電感量L(單位H)流過電感最大峰值電流ISP(A)流過電感最大有效值電流Irmsm(A)電感電流最大紋波峰峰值Im(A)設計步驟步驟1:依照電路工作頻次和使用途合,選擇合適的磁芯資料步驟2:選擇磁芯的最大工作磁感覺強度Bm,確定最大工作磁感覺強度增量Bm步驟3:確定電感設計屬于耗資限制仍是飽和限制以和紋波頻次配合,查附圖1-6,求得磁芯比耗資.若是比耗資遠小于0.1W/cm3,則磁芯受飽和限制,能夠直接采用設定的Bm和由此獲取的Bm

19、;若是比耗資遠大于0.1W/cm3,則磁芯受耗資限制,必定減小Bm,能夠參照附圖1-6從頭確定Bm并從頭估計實質的Bm.步驟4:選擇耗資限制或飽和限制的面積法經驗公式步驟5:計算電感線圈匝數n,初選磁芯.式中:L單位為H,Im單位為A,Bm單位為T,AC單位為cm2步驟6:確定電感氣隙對應電感實質工作時的最大工作磁感覺強度Bm,有(mm)式中:ISP為A,Bm單位為T步驟7:計算繞組的線徑和股數.輸出濾波電感電流最大有效值為Irmsm,取電流密度為J,則繞組的導電面積為式中:SW的單位為mm2,電流密度一般取J=35A/mm2.由于輸出濾波電感電流主若是直流重量,溝通重量較小,因此集膚效應影響

20、不是很大,能夠采用線徑較大的導線或扁銅線來繞制,只要保證足夠的導電面積就行.步驟8:核算磁芯窗口面積與變壓器的設計同樣,也要核算磁芯窗口的面積可否合適.要經過多次屢次計算,直到選擇合適的磁芯.單極性開關電源變壓器.反激變換器的高頻變壓器設計反激式電源變壓器實質上是一個耦合電感,它也有兩種工作模式,電流連續模式(CCM)和電流斷續模式(DCM).對應于本教材的內容,本章僅介紹電流連續模式的反激式電源變壓器設計方法,關于電流斷續模式的設計方法,讀者能夠自行參照有關設計資料.反激式電源的電路與工作波形如圖2-15和圖2-16所示,下面以這兩個圖為基礎介紹電流連續工作方式下反激式電源變壓器的設計原理初始條件工作頻次f(Hz)開關變壓器初級輸入最高,最低電壓幅值U1max(V),U1min(V)變壓器初級激勵脈沖最大連續時間tonmax(s)(對應最大占空比Dmax)變壓器初級最大電流峰值I1SP(A)直流電源輸出電壓Uo(V),電流Io(A)輸出整流電路的整流二極管壓降UD(V)設計步驟步驟1:確定初級